学术研究报告：ENSO对二氧化碳强迫的滞后响应
一、 作者、机构及发表信息
本研究的主要作者包括Chao Liu、Soon-il An、Fei-Fei Jin、Jongsoo Shin、Jong-Seong Kug、Wenjun Zhang、Malte F. Stuecker、Xinyi Yuan、Aoyun Xue、Xin Geng和Soong-Ki Kim。作者团队来自多个研究机构，包括韩国延世大学（Yonsei University）、韩国浦项科技大学（POSTECH）、美国夏威夷大学马诺阿分校（University of Hawai‘i at Mānoa）、中国南京信息工程大学（Nanjing University of Information Science and Technology）等。
该研究成果以研究论文形式发表于《Science Advances》期刊，出版日期为2023年8月2日。
二、 学术背景与研究目的
本研究属于气候科学与地球系统模拟领域，聚焦于厄尔尼诺-南方涛动（El Niño–Southern Oscillation, ENSO）这一全球最强的年际气候变率现象。ENSO通过其全球性的遥相关（teleconnection）对世界各地的天气气候、生态系统和社会经济产生深远影响。以往大量研究探讨了在未来温室气体持续增加（即二氧化碳浓度“上升期”， ramp-up）的情景下ENSO的预估变化，但其对未来可能的二氧化碳移除（即“下降期”， ramp-down）情景的响应，却鲜有研究涉及。气候系统存在滞后性（hysteresis），即系统状态不仅取决于当前的外部强迫强度，也取决于强迫变化的历史路径。已有研究表明，全球平均地表温度、大西洋经向翻转环流（AMOC）、热带辐合带（ITCZ）等关键气候要素在二氧化碳先增后降的强迫下均表现出不同程度的滞后行为。然而，ENSO是否也存在类似的滞后响应，其物理机制是什么，以及对全球气候风险有何影响，这些问题尚不明确。
因此，本研究旨在探究ENSO对二氧化碳先增后降强迫的响应特征，特别是是否存在滞后现象。具体目标包括：1）利用理想化二氧化碳浓度变化实验，量化ENSO海表温度（SST）变率及其相关大气遥相关在浓度上升期和下降期的差异；2）揭示导致ENSO滞后响应的关键物理过程和机制；3）评估不同气候模式模拟这一现象的可靠性；4）阐明ENSO滞后响应对全球气候影响的含义。这项研究将为理解未来可能的减缓路径（mitigation pathways）下ENSO的变化及其带来的持续性气候风险提供关键科学依据。
三、 详细研究流程与方法
本研究采用数值模拟与诊断分析相结合的方法，主要流程可分为以下几个部分：
1. 核心模拟实验设计： 研究团队使用CESM1.2（Community Earth System Model version 1.2）耦合气候模式进行了大规模集合模拟实验。实验设计包含两个部分： * 控制实验：固定二氧化碳浓度于工业化前水平的模拟，积分900年，用于建立现代气候基准态。 * 二氧化碳“先升后降”实验：这是一个理想化情景实验。从控制实验的不同阶段（以涵盖太平洋和大西洋的多年代际振荡不同位相）分支，共进行了28个集合成员的模拟。每个成员的强迫路径为：首先以每年1%的速率增加二氧化碳浓度，持续140年，直至浓度达到工业化前水平的4倍（上升期）；随后以每年1%的对称速率减少二氧化碳浓度，再持续140年，直至恢复到初始水平（下降期）；最后保持浓度不变再积分220年（恢复期）。这种设计旨在分离由外部强迫驱动的信号和气候系统内部变率。
2. 多模式数据验证与补充： 为了验证CESM1.2单一模式结果的稳健性，研究还分析了来自CMIP6（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6）的八个模式的单成员模拟数据。这些模式运行了类似的“1pctCO2”和“1pctCO2-cdr”实验（分别对应CO2上升和下降），尽管初始CO2浓度和模拟总长度略有不同。通过对比多模式结果，可以评估ENSO滞后响应的模式间一致性及不确定性。
3. 数据处理与诊断方法： * 异常定义与滤波：所有变量均计算相对于整个模拟时段气候态的异常。对于CMIP6单成员数据，使用8年高通Lanczos滤波器提取年际变率信号（主要对应ENSO时间尺度）。 * 关键指数计算： * ENSO活动：计算赤道太平洋（5°S-5°N）海表温度异常（SSTA）的方差和偏度（skewness），以表征ENSO的强度和不对称性（El Niño与La Niña的强度差异）。 * 热带辐合带位置：使用降水质心（precipitation centroid）指数，定义为将热带太平洋（120°E-80°W, 20°S-20°N）纬向平均年降水量平分为两半的纬度，以此量化ITCZ的南北向移动。 * ENSO反馈过程分解：采用海洋混合层热收支分析（ocean mixed layer heat budget analysis）方法，将ENSO海温异常的增长/衰减率分解为若干反馈项的贡献，包括温跃层反馈（thermocline feedback, TH）、平流反馈（advective feedback, ADV）、净热通量阻尼（Qnet）、非线性动力加热（nonlinear dynamical heating, NDH）和动力阻尼（dynamical damping, DD）。该方法基于部分通量形式的公式，能够定量评估不同物理过程在ENSO演变中的作用及其变化。 * ENSO耦合强度：考虑到El Niño和La Niña动力学的非对称性，研究采用ENSO位相依赖的线性回归方法，分别估计在El Niño和La Niña位相下，各反馈过程对赤道中东部太平洋SSTA线性增长率的贡献（即耦合强度系数）。 * 遥相关分析：通过回归分析，计算ENSO指数与全球地表温度、降水、大气环流等场之间的线性关系，以揭示ENSO的全球影响及其在CO2下降期的变化。
四、 主要研究结果
1. ENSO海温变率存在显著的滞后响应： CESM1.2的28成员集合平均结果显示，ENSO活动对CO2强迫表现出明显的滞后性。在CO2浓度上升期，赤道东太平洋SST变率有适度且非单调的增加，但由于内部变率（集合成员间的差异）较大，这一增强信号在统计上不显著。然而，在CO2浓度开始下降后，ENSO活动表现出夸大的滞后变化。具体而言，在下降期中期（约公元2210年），赤道东太平洋SST异常方差相比控制实验增加了约50%，而上升期对应浓度水平下（约公元2070年）仅增加约15%。这种增强的滞后特征与全球平均地表温度的滞后（主要由海洋热惯性导致）不同，表明其不能仅由热力学过程解释。当CO2浓度最终恢复到初始水平后，ENSO活动也迅速恢复正常。
2. 滞后响应的物理机制与关键过程： * El Niño主导的耦合过程变化：热收支分析表明，ENSO耦合强度的滞后变化主要发生在El Niño位相。在CO2下降期，与El Niño相关的降水持续增强并向东移动，导致异常纬向风应力也相应增强和东传。这加强了东太平洋的温跃层响应和温跃层反馈（TH），同时平流反馈（ADV）也因风驱动的表层纬向流增强而放大。尽管净热通量（Qnet）和非线性动力加热（NDH）等阻尼项也有所增强，但净效应是东太平洋SST异常的增长率为正，从而有利于当地SST变率的增强。 * 热带辐合带（ITCZ）滞后的核心作用：研究发现，热带太平洋ITCZ经向位置的滞后响应是导致ENSO滞后的关键机制。在CO2上升期，遵循“暖区更湿”范式，赤道中东部太平洋变湿，而两个半球的副热带区域变干。由于北半球降水亏损更严重，太平洋ITCZ整体缓慢南移。在CO2开始下降后，两个半球副热带区域的降水恢复速率不同：东南太平洋副热带区域的降水恢复速率远快于上升期，而东北太平洋的恢复较慢。这种半球间不对称的降水恢复进一步加速了ITCZ的南移，使其质心在下降期中期（约2210年）到达赤道附近。同时，南太平洋辐合带（SPCZ）向东扩展。 * ITCZ滞后如何影响ENSO：ITCZ的南移和SPCZ的东扩，改变了背景气候态。这增强了ENSO发展早期，东太平洋大气对El Niño前兆信号的敏感性。更偏东的SPCZ结构有利于对流活动东传，从而促进了El Niño活动中心东移，并通过赤道正反馈过程放大扰动，最终导致El Niño相关的海气耦合增强和东移，表现为ENSO变率的滞后放大。这种ITCZ滞后被认为主要源于由AMOC和南大洋热吸收变化的缓慢调整时间尺度所导致的半球间能量不平衡。
3. CMIP6多模式验证与模型依赖性： 在八个CMIP6模式中，只有MIROC-ES2L和NorESM2-LM两个模式在其控制模拟中能稳定地再现出与观测一致的东太平洋ENSO正偏态（即强的非线性El Niño动力学）。这两个模式在CO2先升后降实验中也模拟出了与CESM1.2一致的ENSO变率滞后增强特征，尽管在细节上略有差异，这支持了CESM1.2的主要发现。其余六个未能很好模拟ENSO非对称性的模式，则表现出很大的模式间差异：有的模式（如ACCESS-ESM1-5, CanESM5）显示出较弱的或空间结构不同的滞后响应；有的模式（如CESM2, CNRM-ESM2-1）甚至表现出相反的滞后行为（上升期变率增强更大）；还有的模式（如GFDL-ESM4, UKESM1-0-LL）变化不清晰。这表明，ENSO滞后响应的模拟高度依赖于模式对ENSO基本动力学（特别是其非线性特征）的表征能力。所有CMIP6模式都模拟出了ITCZ南移和类El Niño背景态增暖的滞后变化，说明背景态变化具有共性，但各模式ENSO对这些背景态变化的响应却因自身偏差而异。
4. ENSO大气遥相关的滞后与放大影响： 由于ENSO自身的滞后响应，其在全球范围内引发的大气遥相关在CO2下降期也变得更加剧烈。以CESM1.2模拟为例： * El Niño盛期（北半球冬季）：太平洋-北美型（PNA）和太平洋-南美型（PSA）遥相关型加强并东移，导致北美大陆大部分地区和南美中纬度地区出现更强的负地表温度异常。增强的El Niño降水释放更多潜热，使热带对流层增暖更显著，通过热带对流层温度（TT）机制，增强了南美热带地区、北非和印度支那半岛的地表温度正异常。东亚副热带地区的增温因增强的异常偏南风（减弱东亚冬季风）而加强，而澳大利亚东部的增温则因来自南印度洋的异常北风平流冷空气而减弱。 * El Niño衰减年夏季：印度洋海盆尺度的增暖和赤道太平洋La Niña的SST异常发展均增强，两者共同导致西太平洋反气旋环流异常加强，从而增加了东亚和澳大利亚夏季风降水和洪涝风险。
这些结果表明，即使在未来CO2强迫开始减少的情况下，由于ENSO的滞后行为，其引发的全球气候影响在强度和持续时间上均可能被放大和延长，全球大部分人口将在更长时间里面临增加的气候变化风险。
五、 研究结论与价值
本研究通过理想化的二氧化碳移除情景模拟，首次系统性地揭示并阐释了ENSO对CO2强迫存在显著的滞后响应。主要结论是：在CO2浓度达到峰值并开始减少后，ENSO的海温变率及其全球遥相关影响不仅不会立即减弱，反而可能在一段时期内继续增强或维持高位，表现出“滞后放大”效应。这一现象的核心机制与热带太平洋ITCZ位置的滞后南移密切相关，后者又受控于AMOC和南大洋等温盐环流和热吸收的缓慢调整。
本研究的科学价值在于： 1. 拓展了对气候系统滞后性的认识：将滞后性研究从平均态（如全球温度、ITCZ位置）延伸至年际变率（ENSO）这一关键模态，揭示了气候变率对减缓路径的复杂非线性响应。 2. 阐明了ENSO未来预估不确定性的一个新维度：指出ENSO的未来变化不仅依赖于温室气体排放总量和稳定浓度，还强烈依赖于具体的减缓路径（即浓度变化的历史轨迹）。这为理解不同气候情景下ENSO响应的差异提供了新视角。 3. 揭示了跨时间尺度过程的关联：将年代际乃至更长时间尺度的海洋调整过程（影响ITCZ）与年际尺度的ENSO动力学联系起来，深化了对气候系统内部多尺度相互作用的理解。 4. 具有重要的应用和决策参考价值：研究结果警示，即使人类在未来成功实施碳减排甚至碳移除，ENSO相关的气候风险（如极端天气、洪涝干旱）仍可能在一段时期内持续甚至加剧。这意味着气候减缓政策的制定和风险评估必须考虑气候系统的滞后和路径依赖特性，为更全面的气候适应与风险管理提供了科学依据。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
研究在讨论部分指出，虽然本实验遵循了二氧化碳移除模型比较计划（CDRMIP）的标准协议，但ENSO对外部强迫速率、CO2峰值浓度、二氧化碳移除方式以及更广泛的减缓路径的敏感性，仍有待进一步研究。作者强调，对未来ENSO活动的可靠预估和各类减缓策略的风险评估而言，模式能否真实再现ENSO非线性动力学、ITCZ动力学以及它们之间的相互作用至关重要。目前大多数CMIP6模式在这些方面仍存在显著偏差，这凸显了改进模式物理过程表征的紧迫性。此外，气候变化的后果往往在区域尺度上更为显著，未来需要利用物理过程更完善、集合成员更多的模式，结合更现实的实验情景，聚焦更精细的目标区域和更全面的物理量，以更好地量化减缓成本和管控区域灾害风险。